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Come le tempeste di sabbia generano spettacolari fulmini
Una delle caratteristiche affascinanti dei pennacchi di nuvole vulcaniche è la straordinaria esposizione di fulmini che generano. Scariche simili si verificano nelle tempeste di sabbia e nella polvere sollevata dagli elicotteri che sorvolano i deserti provocando pericolosi archi. Questi temporali sono tanto sconcertanti quanto spettacolari.
Ci sono due parti del problema. Innanzitutto, le particelle di sabbia sono più o meno identiche, per dimensioni, forma e chimica. Come quindi trasferiscono l'addebito tra di loro? In secondo luogo, le particelle di sabbia sono isolanti, non conduttori, il che rende doppiamente strano che possano essere coinvolte nel trasferimento di tali enormi quantità di carica. Cosa diavolo sta succedendo?
Oggi, Thomas Pähtz del Politecnico federale di Zurigo e un paio di amici affermano di poter spiegare l'intera faccenda con un nuovo modello apparentemente semplice. Inoltre, il loro modello fa alcune previsioni semplici sul modo in cui le particelle di sabbia trasferiscono la carica.
Ecco la loro idea. Cominciano pensando alle particelle di sabbia come sfere dielettriche identiche. In un campo elettrico, le particelle dielettriche si polarizzano, causando l'accumulo di carica su ciascun lato delle sfere di sabbia. Quando due sfere si toccano, la carica si ridistribuisce attraverso il confine tra di loro, creando una particella più grande e doppiamente polarizzata. L'idea chiave è cosa succede quando questo si rompe di nuovo in due: ogni particella finisce con una carica netta (vedi immagine sopra). Il processo di polarizzazione ricomincia quindi permettendo alle particelle di aumentare ulteriormente la loro carica ad ogni collisione. Non è difficile vedere come un numero relativamente piccolo di collisioni possa finire per trasferire enormi quantità di carica in questo modo nonostante l'assenza di qualsiasi tipo di mezzo conduttore.
Questo modello fa alcune previsioni interessanti sulla velocità con cui una nuvola di sabbia dovrebbe pompare carica. Ad esempio, prevede che nuvole di polvere poco profonde finiscano per caricarsi solo debolmente. Questo è ciò che potresti aspettarti da venti deboli o cereali pesanti. Allo stesso modo, nuvole molto spesse dovrebbero comportare solo una carica debole. Tuttavia, Pahtz e co affermano che nelle nuvole intermedie dovrebbe esserci una carica drammatica. E infatti, è esattamente quello che trovano, sia nelle simulazioni numeriche delle nuvole di polvere che negli esperimenti reali che hanno eseguito con la sabbia vera.
Troviamo come previsto che i letti agitati poco profondi - come ci si potrebbe aspettare con venti deboli o per i grani pesanti - si caricano debolmente, così come i letti agitati molto profondi - come ci si aspetterebbe per materiali altamente dissipativi. In condizioni intermedie, tuttavia, osserviamo una carica drammatica, con le particelle più cariche che si trovano preferenzialmente vicino alla parte superiore del letto agitato, dicono.
È un'idea elegante che produce risultati affascinanti. Ma lascia aperta una domanda molto importante. Nelle vere tempeste, cosa genera in primo luogo il campo elettrico che polarizza le particelle di sabbia? Sembra che Pahtz e co avranno tempo interessante per arrivare in fondo a quello.
Rif: http://arxiv.org/abs/1003.5188 Perché le nuvole di particelle generano cariche elettriche?